JP2018191393A - 並列接続蓄電池システムおよびその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の並列運転における運転可能時間を長くする。【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、を複数有する複数の電力変換装置であって、それぞれの交流出力を並列接続し負荷に電力を供給する複数の電力変換装置と、複数の前記電力変換装置のそれぞれに接続される複数の蓄電池と、を有し、前記蓄電池の出力電圧又は残容量の少なくともいずれか一方の電気的情報に基づいて、蓄電池に接続されるインバータの出力電圧を制御する制御回路を有することを特徴とする並列接続蓄電池システム。【選択図】図１

Description

本発明は、並列接続蓄電池システムおよびその制御技術に関する。

出力電圧と正弦波の基準信号とを比較する誤差増幅回路の出力をＰＷＭドライブ回路を介して制御される複数台のインバータを並列接続して運転するインバータの並列運転において、インバータの出力電流の検出信号を前記誤差増幅回路の入力または出力に加算または減算する手段を設け、これによって、インバータの出力電圧を下げる場合には、出力電流の検出信号を、正弦波発生回路よりの信号を加えた後、出力電圧の検出信号と共に誤差増幅回路に与え、インバータの出力電圧を上げる場合は、電流検出信号と電圧検出信号とを加え、正弦波発生回路よりの信号を誤差増幅回路に与え、インバータ相互間における横流の制御を行うことを特徴とするインバータ並列運転方法が知られている（特許文献１参照）。

特公平６−４０７０４号公報

特許文献１に記載の技術は、インバータの出力は並列母線に接続され、他のインバータも並列母線に接続され、複数台のインバータが並列運転されて負荷に交流電力を供給する。さらに、出力電力及び出力電流を検出し、基準正弦波発生回路とともに、誤差増幅回路，ＰＷＭドライブ回路を経てインバータが制御される。

しかしながら、インバータ出力の情報に基づいて並列運転を制御すると、それぞれのインバータを動作させるための電圧信号に微少なズレが存在する。このズレにより、それぞれの蓄電池の放電電力にも微少なズレが発生する。

とりわけ、蓄電池の放電運転においては、インバータの出力電圧信号の微少なズレが蓄積され、蓄電池の放電電力量の大きなズレとなる。すると、放電電力量の大きな蓄電池の電圧は早めに低下し、インバータの使用入力電圧以下になるとインバータは停止してしまう。

このように、従来の制御を利用すると、インバータの出力電力の微少なズレにより、蓄電池による負荷の運転可能時間が短くなってしまうという問題があった。
本発明は、蓄電池の並列運転における運転可能時間を長くすることを目的とする。

本発明の一観点によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、を複数有する複数の電力変換装置であって、それぞれの交流出力を並列接続し負荷に電力を供給する複数の電力変換装置と、複数の前記電力変換装置のそれぞれに接続される複数の蓄電池と、を有し、前記蓄電池の出力電圧又は残容量の少なくともいずれか一方の電気的情報に基づいて、蓄電池に接続されるインバータの出力電圧を制御する制御回路を有することを特徴とする並列接続蓄電池システムが提供される。

前記制御回路は、前記蓄電池の出力電圧に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の出力電圧が等しくなる方向に変化させる制御を行うようにすることが好ましい。
前記制御回路は、前記蓄電池の残容量に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の残容量が等しくなる方向に変化させる制御を行うようにすると良い。
前記制御回路は、前記蓄電池の出力電圧と、すべての蓄電池電圧の平均値との差分に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の出力電圧が等しくなる方向に変化させる制御を行うと良い。
前記制御回路は、前記蓄電池の残容量と、すべての蓄電池の残容量の平均値との差分に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の残容量が等しくなる方向に変化させる制御を行うようにしても良い。
前記制御回路は、蓄電池情報処理回路とインバータ電圧制御回路とを有し、前記蓄電池情報処理回路は、蓄電池の電気的特性に基づいて、前記インバータ電圧制御回路にインバータ出力電圧指令値を出力し、前記インバータ電圧制御回路は、前記蓄電池情報処理回路からの前記インバータ出力電圧指令値に基づいて、インバータ電圧を制御するようにしても良い。

さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータとの節点に接続され、自然エネルギー発電機とコンバータとの直列接続回路を有するようにしても良い。
さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータとの節点に接続され、商用電源とＡＣ／ＤＣコンバータとの直列接続回路を有するようにしても良い。

また、本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、を複数有する複数の電力変換装置であって、それぞれの交流出力を並列接続し負荷に電力を供給する複数の電力変換装置と、複数の前記電力変換装置のそれぞれに接続される複数の蓄電池と、を有する並列接続蓄電池システムの制御装置であって、前記蓄電池の出力電圧又は残容量の少なくともいずれか一方の電気的情報に基づいて、蓄電池に接続されるインバータの出力電圧を制御する並列接続蓄電池システムの制御装置である。

本発明によれば、蓄電池の並列運転における運転可能時間を長くすることができる。

本発明の第１の実施の形態による並列接続蓄電池制御技術を用いた並列接続蓄電池システムの一構成例を示す機能ブロック図である。 本実施の形態によるインバータ装置を制御するインバータ制御回路の一構成例を示す機能ブロック図である。 本実施の形態によるインバータ装置を制御するインバータ制御回路の一構成例を示す機能ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態によるインバータ装置を制御するインバータ制御回路の一構成例を示す機能ブロック図であり、 本発明の第２の実施の形態によるインバータ装置を制御するインバータ制御回路の一構成例を示す機能ブロック図であり、 第１の実施の形態、第２の実施の形態に共通するインバータ電圧制御回路の一構成例を示す機能ブロック図である。 本発明の第３の実施の形態による並列接続蓄電池制御技術を用いた並列接続蓄電池システムの一構成例を示す機能ブロック図である。 本発明の第４の実施の形態による並列接続蓄電池制御技術を用いた並列接続蓄電池システムの一構成例を示す機能ブロック図である。

以下において、本発明の実施の形態による並列接続蓄電池制御技術について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態による並列接続蓄電池制御技術を用いた並列接続蓄電池システムの一構成例を示す機能ブロック図である。
図１に示すように、並列接続蓄電池システム１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、…、２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、…、２３の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ１５、…、２５と、を複数有する複数の電力変換装置１６、…、２６を有する。電力変換装置１６、…、２６は、それぞれの交流出力を並列接続し、負荷３１に電力を供給する。複数の電力変換装置１６、…、２６のそれぞれの入力側に電力供給源として複数の蓄電池１１、…、２１が設けられている。インバータ装置１０、…、２０は、蓄電池１１、…、２１とそれぞれ接続する電力変換装置１６、…、２６である。

さらに、並列接続蓄電池システム１は、電力変換装置１６、…、２６内に制御回路５１、…、６１を有する。制御回路５１、…、６１は、各電力変換装置１６、…、２６毎に、蓄電池１１、…、２１の出力電圧又は残容量（ＳＯＣ）の少なくともいずれか一方の自己の電気的情報に基づいて、自己の蓄電池に繋がるインバータの出力電圧を制御／調整する。制御回路５１は、例えば、蓄電池情報処理回路５３、…、６３と、インバータ電圧制御回路５５、…、６５とを有する。蓄電池情報処理回路５３、…、６３は、蓄電池１１、…、２１の電気的特性（Ｓ１、…、Ｓ１１）に基づいて、蓄電池情報処理回路５３、…、６３に、インバータ出力電圧指令値（Ｓ２、…、Ｓ２１）を出力する。インバータ電圧制御回路５５、…、６５は、蓄電池情報処理回路５３、…、６３からのインバータ出力電圧指令値（Ｓ２、…、Ｓ２１）に基づいて、インバータ電圧を制御する信号（Ｓ３、…、Ｓ３１）を出力する。蓄電池情報処理回路５３、…、６３とインバータ電圧制御回路５５、…、６５とは一体であっても良い。

図２Ａは、本実施の形態によるインバータ装置１０、…、２０を制御する蓄電池情報処理回路５３（、…、６３）（図１参照）の一構成例を示す機能ブロック図である。ここでは、蓄電池情報処理回路５３について説明する。図２Ａに示すように、蓄電池情報処理回路５３は、例えば、減算器１６１と、比例制御部１６３と、加算器１６５と、を直列に接続する回路構成を有している。

自己の電気的情報として用いることができる蓄電池電圧をＶ１とする。基準値Ｖｓは、例えば蓄電池１１の動作範囲における中心電圧などである。減算器１６１は、蓄電池電圧Ｖ１から蓄電池電圧の基準値Ｖｓを減算し、差分電圧（Ｖ１−Ｖｓ）を求める。比例制御部１６３は、差分電圧を増幅し、あるいは減衰する。

インバータ出力電圧基準値Ｖｉｎｖｓは、インバータ１５の出力電圧実効値の基準値である。加算器１６５は、比例制御部１６３の出力とインバータ出力電圧基準値Ｖｉｎｖｓとを加算する。そして、蓄電池電圧Ｖ１が基準値Ｖｓより高い場合はインバータ出力電圧指令値Ｖｉｎｖ１が大きくなり、蓄電池電圧Ｖ１が基準値Ｖｓより低い場合はインバータ出力電圧指令値Ｖｉｎｖ１が小さくなるように補正する。このようにして補正されたインバータ出力電圧指令値Ｖｉｎｖ１はインバータ電圧制御回路５５に出力される。
インバータ電圧制御回路５５は、インバータ出力電圧指令値Ｖｉｎｖ１に基づいて、インバータ１５のゲート電圧を制御する。
従って、制御回路５１は、蓄電池電圧Ｖ１に基づいて、インバータ１５の入力を制御し、その結果としてインバータ１５の負荷３１への出力電圧を制御する。

図１、図２Ａに示す並列接続蓄電池システム１では、制御回路５１、…、６１が、蓄電池１１、…、２１の電圧を監視し、蓄電池１１、…、２１の電圧に基づいてインバータ１５、…、２５の出力電圧を変化させる。そして、制御回路５１、…、６１は、それぞれの蓄電池１１、…、…、２５、２１の電圧が等しくなる方向に変化するように制御する。以下に制御内容を詳細に説明する。

自己の蓄電池の電圧が高い場合には、インバータの出力電圧を高い方向に変化させる。すると、自己のインバータの負荷分担量が多くなる。従って、蓄電池からの放電電力が多くなり、自己の蓄電池の電圧低下が早まる。その結果、各蓄電池の電圧が等しくなる。
一方、自己の蓄電池の電圧が低い場合には、インバータの出力電圧を低い方向に変化させる。すると、自己のインバータの負荷分担量が少なくなる。従って、蓄電池からの放電電力が少なくなり、自己の蓄電池の電圧低下が遅くなる。その結果、各蓄電池の電圧が等しくなる。

尚、上記の例では、自己の電気的情報として蓄電池電圧Ｖ１を用いた例を示したが、図２Ｂに示すように、自己の電気的情報として、蓄電池１１、…、２１の電池容量ＳＯＣ（State Of Charge）、例えば、現在の残容量を、満充電を１００％とした場合のパーセンテージ等を用いても良い。
尚、蓄電池ＳＯＣ基準値は、蓄電池の動作範囲における中心ＳＯＣなどを用いることができる。

比例制御部１６３は、蓄電池算容量ＳＯＣ１と蓄電池算容量基準値ＳＯＣｓの差分を増幅、あるいは減衰させる。

以上に説明したように、本実施の形態によれば、インバータの出力電力の微少なズレに起因して蓄電池による負荷の運転可能時間の短縮を抑制するという利点がある。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について説明する。図３Ａは、第１の実施の形態によるインバータ装置１０、…、２０を制御する蓄電池情報処理回路５３（、…、６３）の一構成例を示す機能ブロック図であり、図２Ｂに示す蓄電池情報処理回路５３に対応する図である。図３Ａに示すように、本実施の形態による蓄電池情報処理回路５３は、減算器１６１と、比例制御部１６３と、加算器１６５と、を有している。但し、図２Ａの蓄電池電圧の基準値Ｖｓの代わりに、図３Ａに示すように、蓄電池１１、…、２１の統計値、例えば平均値を求める平均値演算部６７を設けている。

蓄電池１１、…、２１の蓄電池電圧は各装置より通信などで送信された各装置の蓄電池電圧である。平均値演算部６７で各蓄電池の蓄電池電圧の平均値を算出する。あるいは、マスターの装置が平均電圧を演算して、それを各装置へ渡すようにしてもよい。

尚、図４は、第１の実施の形態、第２の実施の形態に共通するインバータ電圧制御回路５５、…、６５の一構成例を示す機能ブロック図である。ここでは、インバータ電圧制御回路５５について説明する。
インバータ電圧制御回路５５は、インバータ出力電圧指令値Ｖｉｎｖから、インバータ出力電圧検出器８１の出力に実効値回路８３を適用した値を減算器８５により減算する。

そして、減算器８５の出力をＰＩ制御部８７によりＰＩ制御し、乗算器９１に出力する。乗算器９１は、ＰＩ制御部８７の出力と基準正弦波Ｗｓとを乗算する。減算器９３により、乗算器９１の出力をインバータ出力電圧検出器８１からの出力を減算し、その出力を増幅器９５で増幅する。

増幅器９５の出力を減算器９７により、インバータ出力電流検出器９９の出力から減算し、ＰＷＭ信号生成回路１０１に出力する。ＰＷＭ信号生成回路１０１の出力は、インバータのゲート信号となる。

以上のように、インバータの出力電圧を図示しない電圧検出器によって検出したインバータ出力電圧検出を実効値回路８３により実効値に変換する。実効値に変換された信号と制御回路から送られてくるインバータ出力電圧指令値との差分電圧を演算する。差分電圧信号はＰＩ制御により増幅され、差分電圧信号が０になる方向に制御される。

すなわち、インバータの出力電圧の実効値がインバータ出力電圧指令値と等しくなるように制御される基準正弦波は、ここでは記述されていないが各装置のインバータの出力周波数と位相を合わせる回路とより送出されるインバータの基準正弦波である。

ＰＩ制御により増幅された差分電圧信号は、基準正弦波と乗算され、交流のインバータ出力電圧基準となる。交流のインバータ出力電圧基準とインバータ出力電圧検出との差分を演算し、それを増幅器で増幅し、差分信号が０になるように制御される。

増幅器の出力信号にインバータ出力電流検出を減算し、ＰＷＭ信号生成回路でインバータのゲート信号が生成される。これにより、インバータ出力電圧の交流波形が交流のインバータ出力電圧基準値となるように制御される。

尚、インバータ出力電流検出の信号を増幅器の出力より減算することは、例えば、特公平６−４０７０４号公報に示された技術でありインバータ相互間における横流の制御を行うことができる。

尚、上記の例では、自己の電気的情報として蓄電池電圧を用いた例を示したが、図３Ａと同様に、図３Ｂに示すように、自己の電気的情報として、蓄電池１１、…、２１の電池容量ＳＯＣ（State Of Charge）、例えば、現在の残容量を、満充電を１００％とした場合のパーセンテージ等を用いても良い。

（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態による並列接続蓄電池制御技術を用いた並列接続蓄電池システムの一構成例を示す機能ブロック図である。
図１に示す回路構成と異なり、図５に示す回路構成２０１では、インバータ１５、…、２５の入力側に、太陽電池２１０、…、２２０と、コンバータ２１３、…、２２３との直列接続を有している点で異なる。その他の構成は図１と同様である。電力変換装置を１６ａ、２６ａの符号で示した。

太陽電池は、その他の自然エネルギーにより再生可能な、地熱発電に基づく充電池などの再生可能電力を用いるものでも良い。
太陽電池を備えるシステムでは、太陽電池からの発電により蓄電池を充電している。従って、太陽電池からの充電を考慮したインバータの運転時間を想定する。この並列接続蓄電池システムの運転時間は、他の例より長いため、放電電力の差の蓄積がさらに大きくなり、想定した運転時間に比べた運転時間の短くなる割合は大きくなる。
従って、図５のようなシステムでは、本実施の形態による制御がより有効であるという利点がある。

（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態による並列接続蓄電池制御技術を用いた並列接続蓄電池システムの一構成例を示す機能ブロック図である。
図１に示す構成と比べて、図６に示す構成では、インバータ１５、…、２５の入力側に、商用電源（交流電源）３１０、…、３２０と、コンバータ２１３、…、２２３との直列接続を有している点で異なる。その他の構成は図１と同様である。電力変換装置を１６ｂ、…２６ｂの符号で示した。
図６に示すシステムでは、停電時において商用電源が利用できなくなった場合に、蓄電池で運転することができるという利点がある。

上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。例えば、回路の構成要素に関して、同様の機能を有する異なる回路を用いても良いことは言うまでも無い。
また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

本発明は、並列接続蓄電池システムおよびその制御装置に利用可能である。

１…並列接続蓄電池システム、１０…インバータ装置、１１…蓄電池、１３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５…インバータ、１６…電力変換装置、３１…負荷、５１…制御回路、５３…蓄電池情報処理回路、５５…インバータ電圧制御回路。

Claims (9)

1. ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、を複数有する複数の電力変換装置であって、それぞれの交流出力を並列接続し負荷に電力を供給する複数の電力変換装置と、複数の前記電力変換装置のそれぞれに接続される複数の蓄電池と、を有し、
   前記蓄電池の出力電圧又は残容量の少なくともいずれか一方の電気的情報に基づいて、蓄電池に接続されるインバータの出力電圧を制御する制御回路を有することを特徴とする並列接続蓄電池システム。
2. 前記制御回路は、
   前記蓄電池の出力電圧に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の出力電圧が等しくなる方向に変化させる制御を行う請求項１に記載の並列接続蓄電池システム。
3. 前記制御回路は、
   前記蓄電池の残容量に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の残容量が等しくなる方向に変化させる制御を行う請求項１に記載の並列接続蓄電池システム。
4. 前記制御回路は、
   前記蓄電池の出力電圧と、すべての蓄電池電圧の平均値との差分に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の出力電圧が等しくなる方向に変化させる制御を行う請求項１に記載の並列接続蓄電池システム。
5. 前記制御回路は、
   前記蓄電池の残容量と、すべての蓄電池の残容量の平均値との差分に基づいて、前記蓄電池に繋がる前記インバータの出力電圧を複数の前記蓄電池の残容量が等しくなる方向に変化させる制御を行う請求項１に記載の並列接続蓄電池システム。
6. 前記制御回路は、蓄電池情報処理回路とインバータ電圧制御回路とを有し、
   前記蓄電池情報処理回路は、蓄電池の電気的特性に基づいて、前記インバータ電圧制御回路にインバータ出力電圧指令値を出力し、
   前記インバータ電圧制御回路は、前記蓄電池情報処理回路からの前記インバータ出力電圧指令値に基づいて、インバータ電圧を制御する請求項１から５までのいずれか１項に記載の並列接続蓄電池システム。
7. さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータとの節点に接続され、自然エネルギー発電機とコンバータとの直列接続回路を有する請求項１から６までのいずれか１項に記載の並列接続蓄電池システム。
8. さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータとの節点に接続され、商用電源とＡＣ／ＤＣコンバータとの直列接続回路を有する請求項１から５までのいずれか１項に記載の並列接続蓄電池システム。
9. ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、を複数有する複数の電力変換装置であって、それぞれの交流出力を並列接続し負荷に電力を供給する複数の電力変換装置と、複数の前記電力変換装置のそれぞれに接続される複数の蓄電池と、を有する並列接続蓄電池システムの制御装置であって、
   前記蓄電池の出力電圧又は残容量の少なくともいずれか一方の電気的情報に基づいて、蓄電池に接続されるインバータの出力電圧を制御する並列接続蓄電池システムの制御装置。

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